专利名称：：额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种冶金系统生产过程中的自动节电装置，尤其涉及一种额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置。技术背景.碳化硅是一种人造材料，用途十分广泛，主要用作磨料，耐火材料、避雷器材料和硅碳棒材料，承载现代社会不可或缺的主要元素---信息技术的基础材料半导体，有了它我们的电脑、电视、无线通信都成为可能，成为当今世界人类社会进步与繁荣的重要战略物资。自1891年美国青年工程师艾奇逊提出制取碳化硅的工业方法以来，碳化硅生产的工业化在发达国家最早兴起。由于原料的原因，逐步引入到富有原料的国家与地区。碳化硅的生产能耗高(电耗高达7500度/t)，劳动强度大，环境恶劣，在发达国家里主要依赖进口。我国碳化硅的生产主要集中与分布在富藏硅石的贺兰山周边数百公里的西北地区。我国的产品除了部分用于本国消费外，大量的碳化硅则当作原材料用来出口。碳化硅的冶炼是将无烟煤、石英砂等原料按一定比例混合，其中置一根由石墨粉按一定电阻率压制成型的石磨电极芯，煤与石英组成的原料将石墨电极芯围在断面的几何中心。冶炼炉两头通过整块石墨电极将石磨电极芯与外部硕大的铜制电接触面紧压连接，施加稳定的冶炼直流电流加热冶炼原料(产品)。现有的冶炼生产工艺基本上还是早期的艾奇逊法。由于生产工艺和方法老套，造成能源和成本的浪费十分严重且存在如下问题①现有冶炼炉使用不可控整流装置供电，供电电压不可连续调节，电流脉动不稳定，产品质量低；②由于冶炼装置不可控，而电网电压则不能合理地额定利用，因此浪费了大量电能；③电能的大量浪费和产品质量低下造成了生产用电成本和原料的投入居高不下；时常发生"喷炉"现象，不仅使生产进程不稳定，而且极易造成人身安全危险。冶金工业的重要熔炼设备一碳化硅冶炼炉，工作时电能消耗极大，占企业产品生产成本的70%以上，因此，降低冶炼炉的电能损耗，提高冶炼炉的综合能效，对冶金企业有着重要的经济效益和社会效益。在碳化硅冶炼生产中冶炼一炉大约需要30个小时左右，属于连续性生产负荷，从电工角度看其电气属性则为电阻性负载，生产中要求负荷量相对稳定，也就是说供电电压越稳定越好。电压稳定便可使电流稳定进而实现功率恒定，或者说"恒功率"。因此生产过程中最主要的工艺参数便是恒定的电压与恒定的电流即恒压与恒流。但是，在实际的电力系统中，施加在负荷上的额定电压理论上是一个常数，实际上不是常数，而是随"日负荷曲线"的变化而变化的量。国家电力网质量标准规定，按日负荷变化的电压，其范围在5%左右。在我国，大电网上区域负荷电费的收取通常也是按日负荷的变化而核算和收取的。如上海、西安、成都、广州、北京等大城市的电费则是按不同的负荷在线时段收取不同价位的电费。上海电费峰谷比升至4.5比l。具有耗电"电老虎"之称的碳化硅冶炼企业的供电电压也会随日负荷曲线的变化而波动。我们可知，在一天的24小时里，每夜晚0时到次日8时，20时到24时电网的供电电压会超过额定电压(我们以6000V供电的电压为例说明)6000V，可达到6100V或6200V，甚至6300V。而此时的功率P则为电压U与电流I的乘积，艮卩P=UI其中U为供电电压。I为流经负载的电流。由上式可知，功率P是随电压U与电流I的变化而变化的量，而电流又是因电压的变化而变化的另一个量，电压高则电流大，电压低则电流小。根据欧姆定律，电炉的等效电阻R与炉端直流电压U2和流经炉窑的直流电流l2有关。艮口<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>这样以来炉子的功率要随施加在电极两端的电压与流过炉膛电极电流的变化而定。实际生产中功率往往超出功率额定值的数目较大，而功率又是决定电能表度数的直接参数，功率的单位为KW(千瓦)与生产时间t的乘积便是电度表的读数。可见随着电网一天负荷的变化，产生了大量不应该的损耗，浪费了大量的电能和资金。因此，如果能把这部分电能节约下来，对于号称"电老虎"的耗电大户可不是一个小数目，短短一小时节省数千元人民币，一天的费用则更可观，但又不影响生产。不但减少了工厂的电费开支，降低了工业生产的生产成本，又大大提高企业的经济技术指标，更为重要的是由于电能能够创造比它本身价值高几十倍的工业产值，因此，为国家创造了财富，特别是在能源紧张的今天，能源问题已经成为制约国民经济发展的一个重要因素，合理的利用能源，降低能耗，提高经济效益，对促进我国国民经济发展具有十分重要的意义。
发明内容本发明的目的在于提供一种能自动调低超出额定电压的工作电压，使其稳定并限制在额定电压以内，在不影响生产工艺参数与过程的情况下使电流、功率和千瓦时数达到额定，进而达到节能降耗目的的额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置。为达到上述目的，采用如下技术方案一种额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置，该节电装置包括嵌入式计算机自动给定控制模块、电压调节器、电流调节器、触发器、整流器、采样整流器、变换器等；其信号控制过程为①、由嵌入式计算机自动给定控制模块发出给定控制指令信号，该信号送入电压调节器中，同时，采集的负载两端的信号经变换器也反馈回电压调节器中，两者进行比较，得一电压差值；②、所述电压差值经电压调节器调节后，其电流信号送入电流调节器中，同时，采集的电力网上的电流信号经采样整流器也反馈回电流调节器中，两者进行比较，得一电流差值；③、所述电压差值、电流差值经触发器、整流器后，与采集到的电力网信号进行比较、反馈，直至输出稳定的直流工作电压至负载；其中，在嵌入式计算机自动给定控制模块中调节给定控制信号，即调节负载两端的直流工作电压为恒定和主变压器二次侧电压的算法为调节负载两端的直流工作电压为恒定的算法是选定开机工作后检测到额定负载时的电压值为初始值UO，如果U0大于350V(—般都会大于350V)，将U0调节到350V。具体方法为在参数设置界面输入电压给定350V，软件的处理方法为嵌入式计算机自动给定控制模块发送参数设置命令；从发送参数设置命令时开始计时，一个小时后给定电压调整为G50—5X1)/P，以此类推，给定电压的值为(350—5XN)/P，N为时间数。十个小时以后，即N二10时，让电压稳定在300V工作30小时。30小时以后，按开始的算法继续给定电压进行调节，即给定的电压值为G00—5XNO/P，直到工作结束；主变压器二次侧电压，即电力网电压的显示由于二次测的电压是随着电网电压及变压器的调压级数的变化而变化的，在本装置中，设定变压器的调压级数为最大的26级，那么二次测电压应该是在280V—320V之间变化的。采取如下的处理方法根据实时时钟来进行判定，即读取当前时间，如果为9点到下午5点选取280V—290V，5点到21点选取290V—300V，21点到第二天9点选取300V—320V。作为优化，所述整流器由多个基本三相整流桥电路并联而成，且基本三相整流桥电路之间不加平衡电抗器。更优的是，所述整流器的整流器件采用大功率晶闸管。在碳化硅冶炼生产中，要求负荷量相对稳定，也就是说供电电压越稳定越好。电压稳定便可使电流稳定进而实现功率恒定，或者说"恒功率"。为此，基于电力系统的电压日负荷曲线，提出的额定值法的控制节电方法综合了自动控制的负反馈双闭环系统，计算机生产过程测控技术和电力电子技术。形成了闭环的具有电流负反馈与电压负反馈双闭环的碳化硅生产过程优化及节电系统的系统工程技术集成，对整流系统电流、电压大小进行检测，并且根据检测结果对电压档位进行自动调节，达到平峰填谷，保持电压、电流恒定，使碳化硅冶炼炉生产的产品品质优化和节能降耗的目标。根据电力网电压日负荷曲线，可计算出在一天之中各个时间段的功率消耗，如表1所示。加上节电装置以后各时间段的功率消耗情况，如表2所示。表1一天中各个时间段的功率消耗情况<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2加上节电装置后各时间段的功率消耗情况<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表l中U,为额定电网电压6000V，U2为变压器二次侧(阀侧)电压，二次侧电压会随着电网电压的波动在300V315V之间波动，电流I随电网电压变化而同方向变化，而电流最低为10.03KA，而我们的工作是要把电压降到300V，故电流为10.45KA，所以表1计算出的功率损耗以及相关费用都是最保守的估计。表1与表2比较结果如表3所示，表3中各参数波动范围在5%以内。显然，由于节电装置的自动调节，一个生产周期(36小时)最少可以节约10371度电，按工业用电电费0.35元来计算可得一台电阻炉一天最少节省电费3630元，占总电费的6.3%，如表4所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3调节参考趋势表参数波动<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>率先大胆地采用了大功率晶闸管组成可控整流装置，使该领域的整流器进入可控整流装置的时代！避免了"喷炉"事故的发生，使企业生产进入安全有序的阶段。再之，碳化硅冶炼过程的特点为低电压和大电流。可调电流巨大的直流电源，现有技术中多采用多路三相桥式电路，致使整流器件的数目多，器件压降损耗大，效率低。而大功率整流器输出电压质量的提高，常常通过采用多脉波整流器来实现。多脉波整流器由多个基本三相整流桥并联而成，而整流桥间必须接有平衡电抗器，以平衡各整流桥的输出电压，提高各整流桥的利用率，均衡各整流桥的容量。基于此种缘由，直至今日，在碳化硅冶炼炉系统生产过程中，平衡电抗器问题在生产中不可低估。但本发明考虑到变压器漏抗在一定范围内必然存在，且与平衡电抗器是串联的，理论上可以起到平衡电抗器的作用，经估算，变压器漏感与平衡电抗器电抗几乎一致，用变压器漏感代替平衡电抗器的作用是可行的。所以对本发明的整流器电路中不考虑平衡电抗器提供了理论依据，重要的是主电流能稳定连续的工作，为额定值控制方法提供了理论上的保证。综上所述，本发明的实施，在经济效益方面，能满足企业优化生产过程，提升企业产品质量的技术指标，实现了节约电能的技术要求，装置操作简单明了、方便快捷、人机关系密切。在社会效益方面，该项目符合国家节能政策和冶炼行业的技术发展要求，能够全面解决大功率冶炼设备普遍存在的技术难题，满足企业生产过程和环境的自动检测和控制。企业在充分地享受现代化技术带来的便利、舒适、可靠的环境的同时，降低成本，实现更有效更及时的维护和管理，来保障设备的可靠运行和生产环境的安全。该装置系统创新性强，技术先进，且市场应用广阔，对企业降低成本、提高管理水平，都有现实意义。其产业化可形成企业的经济增长点，带动相关产业发展，增加劳动就业和税收。本发明除中频炉外，适用于冶金系统其它任何冶炼炉。图1为现有技术开环控制过程中不可控的供电系统电路结构示意图；图2为本发明自动控制系统结构示意图；图3为本发明自动控制流程图；图4为本发明可控的供电系统电路结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。一种额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置，该节电装置包括嵌入式计算机自动给定控制模块l、电压调节器2、电流调节器3、触发器4、整流器5、采样整流器7、变换器8等；其信号控制过程为①、由嵌入式计算机自动给定控制模块1发出给定控制指令信号，该信号送入电压调节器2中，同时，采集的负载6两端的信号经变换器8也反馈回电压调节器2中，两者进行比较，得一电压差值；②、所述电压差值经电压调节器2调节后，其电流信号送入电流调节器3中，同时，采集的电力网上的电流信号经采样整流器7也反馈回电流调节器3中，两者进行比较，得一电流差值；③、所述电压差值、电流差值经触发器4、整流器5后，与采集到的电力网信号进行比较、反馈，直至输出稳定的直流工作电压至负载6;其中，在嵌入式计算机自动给定控制模块1中调节给定控制信号，即调节负载6两端的直流工作电压为恒定和主变压器二次侧电压的算法为调节负载6两端的直流工作电压为恒定的算法是选定开机工作后检测到额定负载时的电压值为初始值UO，如果U0大于350V(—般都会大于350V)，将U0调节到350V。具体方法为在参数设置界面输入电压给定350V，软件的处理方法为嵌入式计算机自动给定控制模块1发送参数设置命令；从发送参数设置命令时开始计时，一个小时后给定电压调整为(350—5X1)/P，以此类推,给定电压的值为(350—5XN)/P，N为时间数。十个小时以后，即N二10时，让电压稳定在300V工作30小时。30小时以后，按开始的算法继续给定电压进行调节，即给定的电压值为G00—5XN1)/P，直到工作结束；主变压器二次侧电压，即电力网电压的显示由于二次测的电压是随着电网电压及变压器的调压级数的变化而变化的，在本装置中，设定变压器的调压级数为最大的26级，那么二次测电压应该是在280V—320V之间变化的。采取如下的处理方法根据实时时钟来进行判定，即读取当前时间，如果为9点到下午5点选取280V—290V，5点到21点选取290V—300V，21点到第二天9点选取300V—320V。所述整流器5由多个基本三相整流桥电路并联而成，且基本三相整流桥电路之间不加平衡电抗器。所述整流器5的整流器件采用大功率晶闸管，可在4500A6800A之间最优选6800A的晶闸管。本发明的主要硬件构成嵌入式计算机自动给定控制模块1主要由以下几个部分组成处理器板、扩展底板、电源模块、键盘及液晶屏等部件组成。处理器板集成有处理器核心系统和一些基本的功能模块，如声音系统、USB接口等；扩展底板完成CAN通讯接口及键盘扩展；键盘包括数字键和功能键两类；电源模块完成对处理器板和底板的供电；液晶屏根据实际需要选择15英寸。处理器板处理器是整个自动给定控制模块的核心，采用intel公司的XScale微处理器，XScale微处理器与ARMv5TE架构兼容，采用了英特尔先进的0.18"m工艺技术制造，在1.OV的内核电压下时工作频率可以达到400MHz，具有极低的功耗。处理器板集成有以下资源FLASH包扩BOOTROM和用户数据区，由两片16位的FLASH芯片组成。可以配置为32Mb(28F128)或64Mb(28F256)。SDRAM系统使用64Mb-10ns的SDRAM。声音系统系统可以输出CD音质的模拟音频信号。音频信号需经放大，以驱动扬声器发声。触摸屏控制器支持4线电阻式触摸屏。USB主控制器提供一个USBHOST接口，支持USB低速和全速模式。以太网接口提供一个10M的Ethernet接口。显示接口支持16bitsTFTLCD，采用数字VGA方式输出；也可以通过转接板转换为LVDS方式或SVGA方式输出，以满足不同类型显示器接口的需要。其中包括一个全功能RS232串行口。控制器内部总线由2个40芯的矩形扩展插座上引出，可以通过PXA255的静态存储空间扩展用户功能。系统的各种串行总线，包括两路SPI、一路12C、两路UART、以及16路以上的GPIO信号等由一个64芯的矩形扩展插座上引出。扩展底板为了提高产品的稳定性，数据响应的实时性，利用avr单片机及sjalOOO为基础来设计扩展底板。通过It来扩展键盘(触摸屏)，系统实时时钟。底板还有音频放大功能。采用嵌入式Linux操作系统设计测控软件及实时显示模块，还采用单片机控制系统以完成系统A/D计算机的数字给定。以其他模块为外围电路的控制电路。设计了自动控制系统，并且可以在手动与自动之间进行切换。权利要求1、一种额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置，其特征在于该节电装置包括嵌入式计算机自动给定控制模块(1)、电压调节器(2)、电流调节器(3)、触发器(4)、整流器(5)、采样整流器(7)、变换器(8)等；其信号控制过程为①、由嵌入式计算机自动给定控制模块(1)发出给定控制指令信号，该信号送入电压调节器(2)中，同时，采集的负载(6)两端的信号经交换器(8)也反馈回电压调节器(2)中，两者进行比较，得一电压差值；②、所述电压差值经电压调节器(2)调节后，其电流信号送入电流调节器(3)中，同时，采集的电力网上的电流信号经采样整流器(7)也反馈回电流调节器(3)中，两者进行比较，得一电流差值；③、所述电压差值、电流差值经触发器(4)、整流器(5)后，输出稳定的直流工作电压至负载(6)；其中，在嵌入式计算机自动给定控制模块(1)中调节给定控制信号，即调节负载两端的直流工作电压为恒定和主变压器二次侧电压的算法为调节负载两端的直流工作电压为恒定的算法是选定开机工作后检测到额定负载时的电压值为初始值U0，如果U0大于350V(一般都会大于350V)，将U0调节到350V；具体方法为在参数设置界面输入电压给定350V，软件的处理方法为嵌入式计算机自动给定控制模块(1)发送参数设置命令；从发送参数设置命令时开始计时，一个小时后给定电压调整为(350-5×1)/P，以此类推，给定电压的值为(350-5×N)/P，N为时间数。十个小时以后，即N＝10时，让电压稳定在300V工作30小时。30小时以后，按开始的算法继续给定电压进行调节，即给定的电压值为(300-5×N1)/P，直到工作结束；主变压器二次侧电压，即电力网电压的显示由于二次测的电压是随着电网电压及变压器的调压级数的变化而变化的，在本装置中，设定变压器的调压级数为最大的26级，那么二次测电压应该是在280V-320V之间变化的。采取如下的处理方法根据实时时钟来进行判定，即读取当前时间，如果为9点到下午5点选取280V-290V，5点到21点选取290V-300V，21点到第二天9点选取300V-320V。2、根据权利要求1所述的额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置，其特征在于所述整流器(5)由多个基本三相整流桥电路并联而成，且基本三相整流桥电路之间不加平衡电抗器。3、根据权利要求2所述的额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置，其特征在于所述整流器(5)的,流器件采用大功率晶闸管。全文摘要一种额定值法控制碳化硅冶炼炉系统生产过程的节电装置，该节电装置包括嵌入式计算机自动给定控制模块、电压调节器、电流调节器、触发器、整流器、采样整流器等；所述整流器由多个基本三相整流桥电路并联而成，且基本三相整流桥电路之间不加平衡电抗器。而且整流器的整流器件采用6800A的大功率晶闸管。本发明对整流系统电流、电压大小进行检测，并且根据检测结果对电压档位进行自动调节，达到平峰填谷，保持电压、电流恒定，使碳化硅冶炼炉生产的产品品质优化和节能降耗的目标，具体节电率可高达10％，优质品率一般提高10％，完全达到了国家对大功率冶炼行业的节能减排的要求。文档编号C01B31/00GK101628717SQ20091011742公开日2010年1月20日申请日期2009年8月18日优先权日2009年8月18日发明者张南夫,王庆贤申请人:王庆贤;张南夫